Linux网络编程——基于ET模式下的Reactor

一、前言

上篇文章中我们已经讲解了多路转接剩下的两个接口：poll和epoll，并且知道了epoll的两种工作模式分别是 LT模式和ET模式，下来我们就实现的是一个简洁版的 Reactor，即半同步半异步I/O，在linux网络中，最常用最频繁的一种网络IO设计模式

 Reactor设计模式的概念：
Reactor设计模式是一种为处理并发操作的事件处理模式。它将事件的检测和响应分离，使得事件的监听者可以注册对特定类型事件的兴趣，并在这些事件发生时得到通知。这种模式非常适合于需要处理大量并发连接的应用程序，比如Web服务器。

二、代码

1、首先对于网络来说必须有套接字的创建、绑定、监听和连接，将它们封装起来

//Sock.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "Log.hpp"
#include "Err.hpp"const static int backlog = 32;
const static int defaultsock = -1;class Sock
{
public:Sock():listensock_(defaultsock){}~Sock(){if(listensock_ != defaultsock) close(listensock_);}
public:void Socket(){// 1. 创建socket文件套接字对象listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listensock_ < 0){logMessage(FATAL, "create socket error");exit(SOCKET_ERR);}logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", listensock_);int opt = 1;setsockopt(listensock_, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));}void Bind(int port){// 2. bind绑定自己的网络信息struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(listensock_, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0){logMessage(FATAL, "bind socket error");exit(BIND_ERR);}logMessage(NORMAL, "bind socket success");}void Listen(){// 3. 设置socket 为监听状态if (listen(listensock_, backlog) < 0) {logMessage(FATAL, "listen socket error");exit(LISTEN_ERR);}logMessage(NORMAL, "listen socket success");}int Accept(std::string *clientip, uint16_t *clientport, int *err){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&peer, &len);*err = errno;if (sock < 0){}// logMessage(ERROR, "accept error, next");else{// logMessage(NORMAL, "accept a new link success, get new sock: %d", sock); // ?*clientip = inet_ntoa(peer.sin_addr);*clientport = ntohs(peer.sin_port);}return sock;}int Fd(){return listensock_;}void Close(){if(listensock_ != defaultsock) close(listensock_);}
private:int listensock_;
};

2、接着我们还想要将日志文件带进来

//日志文件，生成和输出日志信息
//Log.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdarg>
#include <ctime>
#include <unistd.h>#define DEBUG   0
#define NORMAL  1
#define WARNING 2
#define ERROR   3
#define FATAL   4const char * to_levelstr(int level)
{switch(level){case DEBUG : return "DEBUG";case NORMAL: return "NORMAL";case WARNING: return "WARNING";case ERROR: return "ERROR";case FATAL: return "FATAL";default : return nullptr;}
}void logMessage(int level, const char *format, ...)
{
#define NUM 1024char logprefix[NUM];//用于存储日志前缀，包含日志级别，时间戳和进程PIDsnprintf(logprefix, sizeof(logprefix), "[%s][%ld][pid: %d]",//格式化输出，并将结果按格式存储到指定的字符数组中，to_levelstr(level), (long int)time(nullptr), getpid());//这一行是可变数量的参数char logcontent[NUM];//用于存储日志内容va_list arg;va_start(arg, format);//初始化arg指向第一个可选参数vsnprintf(logcontent, sizeof(logcontent), format, arg);std::cout << logprefix << logcontent << std::endl;
}

3、还有对错误代码进行定义

//Err.hpp
#pragma once#include <iostream>
//枚举错误
enum
{USAGE_ERR = 1,//参数使用不当SOCKET_ERR,//创建套接字失败BIND_ERR,//绑定套接字失败LISTEN_ERR,//设置监听失败EPOLL_CREATE_ERR//创建epoll失败
};

4、我们要知道ET模式下，我们必须将文件描述符设置为非阻塞的，所以我们还需要一个设置文件描述符非阻塞接口

#pragma once#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
//给文件描述符设置非阻塞模式
class Util
{
public:static bool SetNonBlock(int fd){int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) return false;fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);return true;}
};

5、接着想在网络中添加的网络计算器的业务逻辑，为了方便对转发的数据或者报文进行完整读取，我们还需要制定传输的协议

//制定数据的传输格式，即协议
//Protocol.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <cstring>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <jsoncpp/json/json.h>#define SEP " "
#define SEP_LEN strlen(SEP) // 不敢使用sizeof()
#define LINE_SEP "\r\n"
#define LINE_SEP_LEN strlen(LINE_SEP) // 不敢使用sizeof()enum
{OK = 0,DIV_ZERO,MOD_ZERO,OP_ERROR
};// "x op y" -> "content_len"\r\n"x op y"\r\n
// "exitcode result" -> "content_len"\r\n"exitcode result"\r\n
std::string enLength(const std::string &text)//encode编码，将文本內容加工成上面的形式
{std::string send_string = std::to_string(text.size());send_string += LINE_SEP;send_string += text;send_string += LINE_SEP;return send_string;
}// "content_len"\r\n"exitcode result"\r\n
bool deLength(const std::string &package, std::string *text)//decode解码
{auto pos = package.find(LINE_SEP);if (pos == std::string::npos)//没有找到\r\nreturn false;std::string text_len_string = package.substr(0, pos);//获取文本长度int text_len = std::stoi(text_len_string);//从字符串转成整型*text = package.substr(pos + LINE_SEP_LEN, text_len);return true;
}// 没有人规定我们网络通信的时候，只能有一种协议！！
// 我们怎么让系统知道我们用的是哪一种协议呢？？
// "content_len"\r\n"协议编号"\r\n"x op y"\r\nclass Request//请求
{
public:Request() : x(0), y(0), op(0)//默认构造函数{}Request(int x_, int y_, char op_) : x(x_), y(y_), op(op_)//构造函数{}// 1. 自己写// 2. 用现成的bool serialize(std::string *out)//序列化 {
#ifdef MYSELF//自己的序列化*out = "";// 结构化 -> "x op y";std::string x_string = std::to_string(x);std::string y_string = std::to_string(y);*out = x_string;*out += SEP;*out += op;*out += SEP;*out += y_string;
#elseJson::Value root;root["first"] = x;root["second"] = y;root["oper"] = op;Json::FastWriter writer;// Json::StyledWriter writer;*out = writer.write(root);
#endifreturn true;}// "x op yyyy";bool deserialize(const std::string &in)//反序列化{
#ifdef MYSELF// "x op y" -> 结构化auto left = in.find(SEP);auto right = in.rfind(SEP);if (left == std::string::npos || right == std::string::npos)return false;if (left == right)return false;if (right - (left + SEP_LEN) != 1)return false;std::string x_string = in.substr(0, left); // [0, 2) [start, end) , start, end - startstd::string y_string = in.substr(right + SEP_LEN);if (x_string.empty())return false;if (y_string.empty())return false;x = std::stoi(x_string);y = std::stoi(y_string);op = in[left + SEP_LEN];
#elseJson::Value root;Json::Reader reader;reader.parse(in, root);x = root["first"].asInt();y = root["second"].asInt();op = root["oper"].asInt();
#endifreturn true;}public:// "x op y"int x;int y;char op;
};class Response
{
public:Response() : exitcode(0), result(0){}Response(int exitcode_, int result_) : exitcode(exitcode_), result(result_){}bool serialize(std::string *out){
#ifdef MYSELF*out = "";std::string ec_string = std::to_string(exitcode);std::string res_string = std::to_string(result);*out = ec_string;*out += SEP;*out += res_string;
#elseJson::Value root;root["exitcode"] = exitcode;root["result"] = result;Json::FastWriter writer;*out = writer.write(root);
#endifreturn true;}bool deserialize(const std::string &in){
#ifdef MYSELF// "exitcode result"auto mid = in.find(SEP);if (mid == std::string::npos)return false;std::string ec_string = in.substr(0, mid);std::string res_string = in.substr(mid + SEP_LEN);if (ec_string.empty() || res_string.empty())return false;exitcode = std::stoi(ec_string);result = std::stoi(res_string);
#elseJson::Value root;Json::Reader reader;reader.parse(in, root);exitcode = root["exitcode"].asInt();result = root["result"].asInt();
#endifreturn true;}public:int exitcode; // 0：计算成功，!0表示计算失败，具体是多少，定好标准int result;   // 计算结果
};// "content_len"\r\n"x op y"\r\n     "content_len"\r\n"x op y"\r\n"content_len"\r\n"x op
//从输入缓冲区 inbuffer 中解析出一个完整的报文，并将其存储在 text 指针指向的位置。
bool ParseOnePackage(std::string &inbuffer, std::string *text)
{*text = "";//清空 text 指向的字符串，确保不会残留旧数据。// 分析处理auto pos = inbuffer.find(LINE_SEP);//查找 inbuffer 中的第一个 \r\nif (pos == std::string::npos)//如果找不到，则返回 false 表示当前缓冲区中没有完整的报文头部信息。return false;std::string text_len_string = inbuffer.substr(0, pos);//提取从开始到第一个 \r\n 之前的部分作为文本长度字符串。int text_len = std::stoi(text_len_string);//将该字符串转换为整数 text_len，表示实际消息内容的长度。int total_len = text_len_string.size() + 2 * LINE_SEP_LEN + text_len;//整个报文的总长度if (inbuffer.size() < total_len)return false;// 至少有一个完整的报文*text = inbuffer.substr(0, total_len);//读取inbuffer.erase(0, total_len);//从 inbuffer 中移除已处理的报文部分，以便后续继续处理剩余的数据。return true;
}

6、接着封装epoll，包括它的添加事件、等待事件就绪和其他操作

//Epoller.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/epoll.h>
#include "Err.hpp"
#include "Log.hpp"const static int defaultepfd = -1;
const static int size = 128;class Epoller
{
public:Epoller():epfd_(defaultepfd){}~Epoller(){if(epfd_ != defaultepfd) close(epfd_); }
public:void Create(){epfd_ = epoll_create(size);if(epfd_ < 0){logMessage(FATAL, "epoll_create error, code: %d, errstring: %s", errno, strerror(errno));exit(EPOLL_CREATE_ERR);}}// user -> kernelbool AddEvent(int sock, uint32_t events){struct epoll_event ev;ev.events = events;ev.data.fd = sock;int n = epoll_ctl(epfd_, EPOLL_CTL_ADD, sock, &ev);return n == 0;}// kernel -> userint Wait(struct epoll_event revs[], int num, int timeout){int n = epoll_wait(epfd_, revs, num, timeout);return n;}bool Control(int sock, uint32_t event, int action){int n = 0;if(action == EPOLL_CTL_MOD){struct epoll_event ev;ev.events = event;ev.data.fd = sock;n = epoll_ctl(epfd_, action, sock, &ev);}else if(action == EPOLL_CTL_DEL){n = epoll_ctl(epfd_, action, sock, nullptr);}else n = -1;return n == 0;}void Close(){if(epfd_ != defaultepfd) close(epfd_);}private:int epfd_;
};

7、接着就是重头戏了，实现封装服务器

#pragma once#include <iostream>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <unordered_map>
#include "Log.hpp"
#include "Sock.hpp"
#include "Err.hpp"
#include "Epoller.hpp"
#include "Util.hpp"
#include "Protocol.hpp"namespace tcpserver
{class Connection;//声明class TcpServer;static const uint16_t defaultport = 8080;static const int num = 64;using func_t = std::function<void(Connection *)>;// using hander_t = std::function<void(const std::string &package)>;class Connection//封装套接字，使得他们都有着自己的缓冲区空间{public:Connection(int sock, TcpServer *tsp) : sock_(sock), tsp_(tsp){}void Register(func_t r, func_t s, func_t e)//注册方法，创建该结构体的时候，注册它的三个方法，即数据就绪之后怎么处理{recver_ = r;sender_ = s;excepter_ = e;}~Connection(){}void Close(){close(sock_);}public:int sock_;std::string inbuffer_;  // 输入缓冲区，但是这里只能处理字符串类信息，图片视频类就难解决了std::string outbuffer_; // 输出缓冲区，发送也是一样，因为不能保证自己对一个文本发送到哪里了func_t recver_;   // 从sock_读func_t sender_;   // 向sock_写func_t excepter_; // 处理sock_ IO的时候上面的异常事件TcpServer *tsp_; // 回执指针，可以指向TcpServer，可以被省略uint64_t lasttime;};class TcpServer // Reactor反应堆模式{private:void Recver(Connection *conn)//对于收到的消息如果不做处理，后面再收到时就会看到一直追加在原数据后面{conn->lasttime = time(nullptr);char buffer[1024];while (true)//循环将文件描述符的东西全部读上来{ssize_t s = recv(conn->sock_, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (s > 0){buffer[s] = 0;conn->inbuffer_ += buffer; // 将读到的数据入队列logMessage(DEBUG, "\n%s", conn->inbuffer_);service_(conn);}else if (s == 0){if (conn->excepter_){conn->excepter_(conn);//如果此时异常了，且异常被设置了，此时只需要回调它的异常就可以了return;}}else{if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)//底层没数据了break;else if (errno == EINTR)//信号被中断了continue;else//出错了{if (conn->excepter_){conn->excepter_(conn);return;}}}} // while}void Sender(Connection *conn){conn->lasttime = time(nullptr);while (true){ssize_t s = send(conn->sock_, conn->outbuffer_.c_str(), conn->outbuffer_.size(), 0);if (s > 0){if (conn->outbuffer_.empty())//发完了{// EnableReadWrite(conn, true, false);break;}else//没有发完，发出去多少清除多少conn->outbuffer_.erase(0, s);}else{if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)//发送缓冲区满了break;else if (errno == EINTR)//被信号中断continue;else//发送出错{if (conn->excepter_){conn->excepter_(conn);return;}}}}// 如果没有发送完毕，需要对对应的sock开启对写事件的关系， 如果发完了，我们要关闭对写事件的关心！if (!conn->outbuffer_.empty())conn->tsp_->EnableReadWrite(conn, true, true);elseconn->tsp_->EnableReadWrite(conn, true, false);}void Excepter(Connection *conn){logMessage(DEBUG, "Excepter begin");epoller_.Control(conn->sock_, 0, EPOLL_CTL_DEL);conn->Close();connections_.erase(conn->sock_);logMessage(DEBUG, "关闭%d 文件描述符的所有的资源", conn->sock_);delete conn;}void Accepter(Connection *conn){for (;;)//因为监听套接字已经被设置为ET了，所以无论来多少连接也只是通知一次，这就倒逼程序员一次拿完所有的连接，所以我们需要循环读取，直到失败{std::string clientip;uint16_t clientport;int err = 0;int sock = sock_.Accept(&clientip, &clientport, &err);if (sock > 0){AddConnection(sock, EPOLLIN | EPOLLET,std::bind(&TcpServer::Recver, this, std::placeholders::_1),std::bind(&TcpServer::Sender, this, std::placeholders::_1),std::bind(&TcpServer::Excepter, this, std::placeholders::_1));logMessage(DEBUG, "get a new link, info: [%s:%d]", clientip.c_str(), clientport);}else//当底层没有连接时，使用accept拿的时候，错误码会被设置{if (err == EAGAIN || err == EWOULDBLOCK)//表示底层没有连接了break;else if (err == EINTR)//表示正在读的时候被信号中断了continue;else//这才是真正出错了break;}}}void AddConnection(int sock, uint32_t events, func_t recver, func_t sender, func_t excepter)//管理Connection对象{// 1. 首先要为该sock创建Connection，并初始化，并添加到connections_if (events & EPOLLET)//如果事件设置了ET模式，那么就将该套接字设置为非阻塞Util::SetNonBlock(sock);Connection *conn = new Connection(sock, this); //构建对象// 2. 给对应的sock设置对应回调处理方法conn->Register(recver, sender, excepter);// 2. 其次将sock与它要关心的事件"写透式"注册到epoll中，让epoll帮我们关心bool r = epoller_.AddEvent(sock, events);//一般这里是不会出什么问题的assert(r);//断言一下(void)r;// 3. 将kv添加到connections_connections_.insert(std::pair<int, Connection *>(sock, conn));logMessage(DEBUG, "add new sock : %d in epoll and unordered_map", sock);}bool IsConnectionExists(int sock)//判断文件描述符是否在我们对应的connection中{auto iter = connections_.find(sock);return iter != connections_.end();}void Loop(int timeout){int n = epoller_.Wait(revs_, num_, timeout); // 获取已经就绪的事件for (int i = 0; i < n; i++){int sock = revs_[i].data.fd;uint32_t events = revs_[i].events;// 将所有的异常问题，全部转化 成为读写问题if (events & EPOLLERR)events |= (EPOLLIN | EPOLLOUT);//如果出现异常，就设置它的读事件和写事件就绪，读写本来就要做异常处理if (events & EPOLLHUP)events |= (EPOLLIN | EPOLLOUT);// listen事件就绪if ((events & EPOLLIN) && IsConnectionExists(sock) && connections_[sock]->recver_)//读事件就绪并且connection对应的套接字存在，并且recver对象也存在 connections_[sock]->recver_(connections_[sock]);if ((events & EPOLLOUT) && IsConnectionExists(sock) && connections_[sock]->sender_)connections_[sock]->sender_(connections_[sock]);}}public:TcpServer(func_t func, uint16_t port = defaultport) : service_(func), port_(port), revs_(nullptr){}void InitServer(){// 1. 创建socketsock_.Socket();sock_.Bind(port_);sock_.Listen();// 2. 构建Epollepoller_.Create();// 3. 将目前唯一的一个sock，添加到epoller中， 之前需要先将对应的fd设置成为非阻塞// listensock_也是一个socket啊，也要看做成为一个ConnectionAddConnection(sock_.Fd(), EPOLLIN | EPOLLET,std::bind(&TcpServer::Accepter, this, std::placeholders::_1), nullptr, nullptr);revs_ = new struct epoll_event[num];//初始化一段缓冲区用来保存已经就绪的事件num_ = num;}void EnableReadWrite(Connection *conn, bool readable, bool writeable){uint32_t event = (readable ? EPOLLIN : 0) | (writeable ? EPOLLOUT : 0) | EPOLLET;epoller_.Control(conn->sock_, event, EPOLL_CTL_MOD);}// 事件派发器void Dispatcher(){int timeout = 1000;while (true){Loop(timeout);// logMessage(DEBUG, "time out ...");// 遍历connections_，计算每一个链接的已经有多长时间没有动了}}~TcpServer(){sock_.Close();epoller_.Close();if (nullptr == revs_)delete[] revs_;}private:uint16_t port_;Sock sock_;Epoller epoller_;std::unordered_map<int, Connection *> connections_;struct epoll_event *revs_;//存储多个就绪时间的空间，指针int num_;//表示用来保存就绪事件的缓冲区一共有多少个元素// hander_t handler_;func_t service_;};
}

这里有着很多细节，需要强调点如下：

就读事件来说，在我们之前实现无论是select、poll还是epoll的时候，对底层数据到位之后，读取时候的处理都是特别不完善的。先看我们之前怎么处理的，如下：

 else if(revs[i].events&EPOLLIN)//读事件就绪{char buffer[64];ssize_t s=recv(fd,buffer,sizeof(buffer)-1,0);if(s>0)//读取成功{buffer[s]='\0';std::cout<<"echo#"<<buffer<<std::endl;}else if(s==0)//对端连接关闭{std::cout<<"Client quit"<<std::endl;close(fd);DelEvent(fd);//将文件描述符从模型中删除}else{//读取错误std::cerr<<"recv error!"<<std::endl;close(fd);DelEvent(fd);}}

         我们要知道在epoll模式下，如果底层数据已经就绪，我们假设把本轮的数据全部读完，这时候也不一定能够读到一个完整的请求，本轮读完是ET的要求，能不能完整读完是跟协议要求相关的。即使循环读，读完也不行。如果我们并不能读到一个完整的请求，那么我们就只能 将自己读到的数据暂时放在buffer中，但是暂时保存在buffer中的话，这个文件描述符保存了，其他的文件描述符数据也就绪了怎么办，而且在当前读完之后，整个的这个代码区间全部都被释放掉了(因为它是栈上的空间)，所以再想下一次读的时候buffer早都被释放完了。

        所以光在栈上的缓冲区远远不够，对于每一个文件描述符，我们都得给他们的输入输出的用户层缓冲区全都带上。所以要对每一个套接字进行封装，每一个套接字都要有着自己的缓冲区空间，读取的时候，将数据暂存到自己的缓冲区中，没读完下次再读，这也才不会和其他的数据纠缠。在发送的时候也是同理。

        我们在这次的Reactor代码中对每一个文件描述符都封装了Connection，系统中出现大量的Connection对象，需要被管理起来，先描述再组织，描述已经到位就是Connection结构体，接下来用unordered_map<int ,Connection*>管理起来,，即使用kv将文件描述符和我们所创建的Connection结构体结合起来  ，  所以将来我们将文件描述符添加到epoll模型中的时候，同时将文件描述符的Connect对象也添加进unordered_map中，这样未来就可以通过unordered_map查看该文件描述符所对应的各种事件和输入输出缓冲区了。

8、Main函数

//Main.cc
#include "TcpServer.hpp"
#include <memory>using namespace tcpserver;static void usage(std::string proc)
{std::cerr << "Usage:\n\t" << proc << " port"<< "\n\n";
}bool cal(const Request &req, Response &resp)
{// req已经有结构化完成的数据啦，你可以直接使用resp.exitcode = OK;resp.result = OK;switch (req.op){case '+':resp.result = req.x + req.y;break;case '-':resp.result = req.x - req.y;break;case '*':resp.result = req.x * req.y;break;case '/':{if (req.y == 0)resp.exitcode = DIV_ZERO;elseresp.result = req.x / req.y;}break;case '%':{if (req.y == 0)resp.exitcode = MOD_ZERO;elseresp.result = req.x % req.y;}break;default:resp.exitcode = OP_ERROR;break;}return true;
}void calculate(Connection *conn)
{std::string onePackage;while (ParseOnePackage(conn->inbuffer_, &onePackage)){std::string reqStr;if (!deLength(onePackage, &reqStr))return;std::cout << "去掉报头的正文：\n"<< reqStr << std::endl;// 2. 对请求Request，反序列化// 2.1 得到一个结构化的请求对象Request req;if (!req.deserialize(reqStr))return;Response resp;cal(req, resp);std::string respStr;resp.serialize(&respStr);// 5. 然后我们在发送响应// 5.1 构建成为一个完整的报文conn->outbuffer_ += enLength(respStr);//添加到自己的发送缓冲区中std::cout << "--------------result: " << conn->outbuffer_ << std::endl;}// 直接发if (conn->sender_)conn->sender_(conn);// // 如果没有发送完毕，需要对对应的sock开启对写事件的关系， 如果发完了，我们要关闭对写事件的关心！// if (!conn->outbuffer_.empty())//     conn->tsp_->EnableReadWrite(conn, true, true);// else//     conn->tsp_->EnableReadWrite(conn, true, false);
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<TcpServer> tsvr(new TcpServer(calculate, port));tsvr->InitServer();tsvr->Dispatcher();return 0;
}

这就是全部代码了。

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